鎳基高溫合金增材制造研究進展

祝國梁，羅 樺，賀 戩，田雨生，衛(wèi)東雨，譚慶彪，孔德成

（1 上海交通大學 材料科學與工程學院 上海市先進高溫材料及其精密成形重點實驗室，上海 200240；2 上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室，上海 200240）

高溫合金具有良好的高溫性能和抗氧化性能，其中，鎳基高溫合金是使用最為廣泛的一類高溫合金，常用于制造航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機中在高溫工作環(huán)境中服役的零件［1］。然而，制備結(jié)構(gòu)極為復雜的高溫合金構(gòu)件時，傳統(tǒng)的制備方式如熔模精密鑄造等存在制造難度大、構(gòu)件質(zhì)量不高和產(chǎn)品合格率低等問題［2］。

增材制造（additive manufacturing， AM）是一種快速制造技術，其主要特點是通過材料逐層堆積構(gòu)建出所需的三維結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點在于可以制造出復雜結(jié)構(gòu)件、節(jié)省材料、制造小批量或個性化產(chǎn)品，以及多材料組合件。增材制造獨特的微觀組織可以提高產(chǎn)品性能等，因此，增材制造逐漸成為制備高溫合金復雜零件的主要方法之一。近年來，隨著增材制造技術的不斷發(fā)展，粉末床熔化技術（powder bed fusion，PBF）、定向能量沉積（direct energy deposition，DED）、電弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）等增材制造技術已成為制備高溫合金復雜零部件的重要手段［3-4］。通過增材制造技術，可快速、精確地制造出具有復雜結(jié)構(gòu)的高溫合金零件，為高端制造業(yè)的發(fā)展帶來新的機遇。

因此，本文旨在探討增材制造鎳基高溫合金的研究進展。首先，介紹了不同增材制造方法的基本過程及優(yōu)缺點，并分析了增材制造技術形成獨特的微觀組織，包含熔池、各向異性組織和亞結(jié)構(gòu)等。然后詳細介紹了被廣泛研究的幾種鎳基高溫合金材料，介紹了其在增材制造過程中的相組成及其力學性能，討論了熱處理對微觀組織和力學性能的影響。最后，對未來鎳基高溫合金增材制造的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 增材制造方法

增材制造，又稱3D 打印，是一種使用激光束、電子束、電弧等作為能源將原材料整合成致密部件的制造技術。其中，金屬增材制造技術發(fā)展迅速，被廣泛應用于航空航天、汽車、生物醫(yī)學和國防裝備等領域。金屬增材制造技術依據(jù)送料系統(tǒng)可分為粉床、送粉和送絲系統(tǒng)。每種系統(tǒng)都有其優(yōu)勢，粉床系統(tǒng)適合高精度和復雜零部件制造，送粉系統(tǒng)受構(gòu)件尺寸約束小，送絲系統(tǒng)可用于高效生產(chǎn)零件［5-8］。本章介紹了不同增材制造方法的基本過程及優(yōu)缺點，并分析了增材制造技術形成的獨特微觀組織，包含熔池、各向異性組織和亞結(jié)構(gòu)等。圖1 為幾種增材制造工藝圖解，并給出其制備的樣品實例［9-14］。表1 總結(jié)了這幾種增材制造工藝的特點和局限性［11，15-29］。

表1 不同增材制造方法對比［11，15-29］Table 1 Comparison of different additive manufacturing methods［11，15-29］

圖1 3 種增材制造工藝制備樣品實例［9-14］（a）PBF；（b）DED；（c）WAAM；（d）~（f）3 種工藝制備的IN718 打印態(tài)樣品［9-14］Fig.1 Schematic diagrams of three kinds of AM processes（a）PBF；（b）DED；（c）WAAM；（d）-（f）IN718 prepared by the three processes respectively

1.1 粉末床熔化

粉末床熔化技術利用激光束或電子束對預先鋪設在構(gòu)建平臺上的一層均勻金屬粉末進行熔化，使其與前一層粉末連接，然后逐層堆積，制備出致密的三維打印零件［15］。在PBF 技術中，激光粉末床熔化（laser powder bed fusion，LPBF）和電子束粉末床熔化（electron beam powder bed fusion，EBPBF）是兩種主要形式。激光粉末床熔化是最常用的一種形式，它使用激光束對金屬粉末進行熔化，然后逐層疊加，形成三維打印零件，其過程如圖1（a）所示。電子束粉末床熔化與激光粉末床熔化的原理類似，但使用的是電子束而非激光束。

PBF 是一種廣泛用于制造高精度和復雜零件的方法，具有制造高分辨率特征、內(nèi)部通道和保持尺寸控制的能力，適用于多種金屬材料，并可用于制造原型和終端零件。PBF 技術廣泛應用于鋁、鈦、鎳、鐵等多種金屬及其合金材料的制備［16-19］。利用PBF 技術，可以制備出復雜形狀的精密鎳基高溫合金零件，如圖1（d）所示，這為鎳基高溫合金的發(fā)展提供了更廣闊的可能性［20］。然而，PBF 的制造速度相對較慢，適用于制備較小體積的零件，且設備和材料成本較高。

1.2 定向能量沉積

定向能量沉積（DED）技術使用激光束或電子束逐層在基板上產(chǎn)生熔池，然后將金屬粉末從同軸噴嘴/同軸環(huán)形噴嘴/橫向噴嘴同時輸送到熔池中，通過熔化沉積層與層之間的金屬粉末，最終完成零件的制造［21-24］，該過程如圖1（b）所示。此外，DED 還可以使用金屬絲和金屬粉末組合形式作為原料，以滿足更多的加工需求［3］。

DED 具有高的自由度和靈活性，適用多種金屬材料，還可以制備功能性梯度材料（functionally graded materials，F(xiàn)GMs），可以提供多種不同材料的優(yōu)良特性，從而滿足各種不同工程需求，在工程應用中有廣泛應用前景［25-26］。除用于制備零部件外，此方法還可以用于修復零件和添加材料。然而，相對于PBF，DED 的成形精度較低，不適用于尺寸精度要求高的零件，但在制備過程中不需預先鋪設粉末，其速度與PBF 相比較快。

1.3 電弧增材制造

電弧增材制造（WAAM）是一種基于電弧的金屬增材制造技術，通過熔化金屬絲材料來逐層構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)［27］。WAAM 技術的工作原理是通過引入電弧將金屬絲熔化，然后將其沉積在基板上，不斷疊加來構(gòu)建所需的三維結(jié)構(gòu)，如圖1（c） 所示。

WAAM 具有高規(guī)模生產(chǎn)、價格低廉、易于配置、效率高等優(yōu)勢，適用于大型零件的快速制造，具有較低的設備成本和材料成本，且能處理多種合金［11，27］。由于金屬絲的成本比金屬粉末更低，相較于其他AM技術，如PBF 和DED，WAAM 更加經(jīng)濟和高效，且WAAM 可以在更高的沉積速率下進行，從而實現(xiàn)更快速的成型。并且可以根據(jù)需要制備包括鈦、鋁、不銹鋼等多種金屬材料［27-29］。然而，其相對精度較低，不適用于高精度零件，通常需要后處理來改善表面質(zhì)量。如圖1（f） 所示，WAAM 制備的鎳基高溫合金相比于PBF 表面粗糙度較差，需要進行額外的加工或后處理。

2 增材制造鎳基合金

2.1 常用增材制造鎳基高溫合金

鎳基高溫合金以Ni-Cr 二元系作為其基體，并加入固溶強化、沉淀強化和晶界強化元素以進行強化。強化機理可分為固溶強化和沉淀強化兩類，兩者最明顯的差別體現(xiàn)在成分上為Al，Ti 總含量的差別。在增材制造過程中被廣泛研究的鎳基高溫合金包含IN625，IN718，Hastelloy X，CM247LC 和IN738LC 等，這些高溫合金的化學成分如表2［30-34］所示。

表2 常見增材制造用鎳基高溫合金的成分（質(zhì)量分數(shù)/%）Table 2 Composition of common nickel-based high-temperature alloys for additive manufacturing（mass fraction/%）

其中Hastelloy X 和IN625 為固溶強化鎳基高溫合金。Hastelloy X 僅含有少量的Al 元素，不會形成γ′或γ″相。該合金主要依靠添加固溶元素和形成碳化物來增強其強度，其中含有相對較多的Mo 和Cr 元素，因此，常形成富含Mo 和Cr 的M6C 和M23C6碳化物［32，35］。IN625 合金具有良好的耐腐蝕性、拉伸性能和高溫下的疲勞強度等，被廣泛應用于航空航天、壓力容器、化工和核應用中［31，36］。此外，它還可作為熱交換器的涂層材料。該合金中含有少量Nb，該元素為γ″相和Laves 相形成元素，合金中常見相包含初級碳化物（MC）、次級碳化物（M6C 和M23C6）、γ″、δ 和金屬間相。在熱處理過程中，也會析出少量沉淀物，如Laves 相、富Si 顆粒、α-Cr 顆粒、TCP 相等［37-38］。

IN718 是使用最為廣泛的一種沉淀強化鎳基高溫合金，占所有高溫合金產(chǎn)量的35%以上，被廣泛用于制造燃氣輪機、渦輪葉片、航空發(fā)動機燃燒室等。作為一種沉淀強化高溫合金，IN718 合金中Al，Ti 總含量仍較低，表現(xiàn)出良好的可焊性和可打印性，含有少量的γ″相和Laves 相形成元素Nb，常見的析出相包括γ′和γ″、δ 相、MX 碳化物相和Laves 相［30，39］。

CM247LC 和IN738LC 合金中鋁鈦含量超過了5%（質(zhì)量分數(shù)），通常被稱為難焊鎳基高溫合金，較高的鋁鈦含量使合金中容易形成高體積分數(shù)的γ′強化相，可以在更高的溫度下工作，適合用作航空航天裝備的高性能構(gòu)件。IN738LC 是最常用的葉片材料之一，已廣泛用于航空燃氣渦輪發(fā)動機［34］。CM247LC是一種專為定向凝固渦輪葉片設計的高鋁鈦難焊鎳基高溫合金，其高溫力學性能、抗氧化和耐腐蝕性能是傳統(tǒng)鑄造合金所能達到的最佳性能，廣泛應用于航空和能源工業(yè)［33］。這些高鋁鈦的難焊高溫合金增材制造時工藝窗口較小，容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。且CM247LC 合金中Hf，Zr 等元素的存在增大了合金的凝固溫度區(qū)間，促進了共晶相的形成，增多了增材制造過程中的低熔點相，導致在增材制造過程中容易出現(xiàn)裂紋。

2.2 增材制造鎳基高溫合金的微觀組織

與傳統(tǒng)的鑄造和鍛造方法相比，增材制造鎳基高溫合金具有獨特的微觀組織，圖2（a）~（d）顯示了不同制備方法的晶粒組織。在增材制造中，粗大的柱狀晶粒組織和大量細小晶粒與增材制造獨特的逐層成型、快冷快熱的制備過程有關［14，40-41］。相較之下，在鑄造中，較大的柱狀或等軸晶粒組織則是由于冷卻速度相對較慢，晶粒有更多的時間進行生長，這種晶粒組織通常較為均勻，但可能存在一些缺陷，如氣孔或夾雜等［42-45］。另一方面，在鍛造中，均勻的晶粒組織則是由于金屬在較高溫度下進行塑性變形，晶粒通常得以重新排列，從而提高合金的韌性和強度［46-47］。增材制造、鑄造和鍛造對于鎳基高溫合金的晶粒組織產(chǎn)生了不同的效果，這些差異直接影響著材料的性能和行為，應基于所需零件性能和應用要求、晶粒組織的特征來選擇適當?shù)闹圃旆椒ā?/p>

圖2 通過不同的方法制備的鎳基高溫合金顯微組織形貌［42-46］（a）與構(gòu)建方向平行的 SLMed IN718 樣品；IN718 鑄件樣品（b）和未經(jīng)熱處理的軋制IN718 合金（c）的EBSD 圖；（d）SLM、鑄造、鍛造IN718 的晶粒尺寸分布；（e）SLMed IN718 合金顯微組織特征的OM 圖像；（f）SLMed IN718 的傳統(tǒng)BF 顯微照片顯示柱狀位錯單元的形成Fig.2 Microstructure morphology of nickel-based superalloys prepared by different methods［42-46］（a）SLMed IN718 samples parallel to the building direction；EBSD diagrams of IN718 casting sample（b） and rolled IN718 alloy without heat treatment；（d）grain size distributions of SLM，cast and forged IN718；（e）OM image of microstructure characteristics of SLMed IN718 alloy；（f）traditional BF micrograph of SLMed IN718 shows the formation of columnar dislocation cells

除晶粒組織外，增材制造的鎳基高溫合金還形成了獨特的熔池組織及位錯胞結(jié)構(gòu)，如圖2（e），（f）所示。熔池的尺寸與增材制造過程中所采用的能源，如激光、電子束和電弧的參數(shù)有關。熔池的形態(tài)與凝固方式會直接影響到最終零部件的性能和質(zhì)量，因此需要進行精細的熔池形態(tài)和凝固過程的控制［46-47］。PBF 與DED 鎳基高溫合金中往往會出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)，由大量纏結(jié)位錯構(gòu)成，在其內(nèi)部也能觀察到少量位錯線［48］。其形成原因可能與增材制造過程中的大溫度梯度的熱錯配相關［49-52］。亞結(jié)構(gòu)在材料力學性能方面起到了非常重要的作用，可以阻礙位錯的運動，從而提高材料的力學性能［41］。同時，由于增材制造過程中冷卻速度非?？欤m不存在大尺度的宏觀偏析現(xiàn)象，但可以觀察到亞結(jié)構(gòu)尺度的微偏析現(xiàn)象。具體而言，Al，Ti，Hf 等元素通常富集于亞結(jié)構(gòu)邊界，而W，Co，Ni 等元素則富集于亞結(jié)構(gòu)中心［53-55］。

在增材制造中，不同的方法制備的鎳基高溫合金呈現(xiàn)出微觀組織上的差異，如圖3 所示［56-58］。PBF 和DED 兩種方法制備的合金晶粒組織形貌存在差異。在PBF 中，柱狀晶的晶粒取向與構(gòu)建方向一致，形成了〈100〉方向的織構(gòu)，相比之下，DED 制備的鎳基高溫合金中的晶粒取向與PBF 有所不同［56-61］。這是由于掃描速率導致的熔池形狀差異；PBF 中掃描速率較快，熔池相對較長而淺，導致柱狀晶沿垂直于熔池凝固表面的方向生長；而在DED 中，熔池相對較短和較深，導致晶粒通過改變生長方向與溫度梯度保持一致，呈現(xiàn)出不如PBF 明顯的織構(gòu)［61-63］。WAAM 中由于冷卻速率較慢，其晶粒尺寸更大。晶粒組織的控制對于材料性能至關重要，可以通過調(diào)整掃描參數(shù)和材料組成等因素實現(xiàn)不同晶粒組織的形成，改善材料的各向異性，提高強度。不同的掃描方式和材料特性會影響晶粒的形狀，例如簡單掃描方式可以產(chǎn)生更規(guī)則的、沿構(gòu)建方向的細長柱狀晶，而添加高耐熱高溫顆粒有助于抑制柱狀晶的形成，減少缺陷的發(fā)生［64-66］。通過對增材制造方法的選擇和參數(shù)的調(diào)整，可以實現(xiàn)對鎳基高溫合金微觀組織的精確控制，以滿足特定應用的性能需求。

圖3 不同增材制造方法制備鎳基高溫合金的微觀組織［56-58］（a）LPBF-CM247LC；（b）DED-IN625；（c）WAAM-IN718Fig.3 Microstructures of nickel-based high temperature alloys prepared by different additive manufacturing methods［56-58］（a）SLM-CM247LC；（b）DED-IN625；（c）WAAM-IN718

通過增材制造得到的微觀組織并不理想，存在各種問題，需要進行熱處理。熱處理對增材制造鎳基高溫合金的晶粒組織、析出相等均造成了影響。

通過不同的熱處理可以調(diào)整晶粒形態(tài)，如圖4（a）~（d）所示。增材制造熱處理涉及去應力退火、固溶熱處理、時效熱處理和熱等靜壓等步驟。研究表明高溫固溶熱處理和熱等靜壓可改變晶粒結(jié)構(gòu)，形成退火孿晶組織，引起晶粒粗化，促進低角度晶界向高角度晶界和低能量的特殊晶界轉(zhuǎn)變，影響晶粒組織和各向異性［33，67-71］。退火過程中顯微組織的變化與內(nèi)部殘余應力的緩解有關。因此，熱處理為增材制造提供晶粒和織構(gòu)的控制手段，為優(yōu)化材料性能提供基礎。

熱處理是調(diào)控鎳基合金中析出相的關鍵步驟之一。在增材制造的某些鎳基合金中，如IN625，IN718等合金，打印態(tài)可能存在Laves 有害相。研究表明，通過熱處理可以緩解這些有害相的形成，如圖4（e）~（h）所示。文獻［68，72-79］等均報道了通過熱處理緩解有害相的形成，熱處理能夠減少Laves 相的數(shù)量；此外，熱處理過程中還可能引發(fā)其他相的析出，如δ，MC，M6C 和M23C6碳化物。在Hastelloy X 中，增材制造后形成了獨特的碳化物，主要是球形的富含Mo 的M6C，M12C 和MnCm［80-82］。在高鋁鈦鎳基高溫合金中，增材制造快速冷卻的過程會抑制γ′相的析出，只能觀察到納米級別的γ′相，熱處理過程中，規(guī)則排列的γ′相會大量析出［69，83-86］，如圖4（e）~（h）所示。這些研究表明，通過熱處理可以有效地調(diào)控合金的微觀結(jié)構(gòu)和相組成，從而優(yōu)化其力學性能。

2.3 增材制造鎳基高溫合金的力學性能

高溫合金的力學性能包含硬度、拉伸、疲勞、蠕變等，其中，拉伸性能是研究最為廣泛的性能，表3~表6［40，81，87-109］顯示了不同鎳基高溫合金的室溫拉伸性能。高溫合金的拉伸性能受到多種因素的影響。

表4 不同制備方式下IN718 合金的室溫拉伸性能Table 4 Room temperature tensile properties of IN718 alloy under different preparation methods

表5 不同制備方式下Hastelloy X 合金的室溫拉伸性能Table 5 Room temperature tensile properties of Hastelloy X alloys under different preparation methods

表6 不同制備方式下CM247LC 和IN738LC 合金的室溫拉伸性能Table 6 Room temperature tensile properties of CM247LC and IN738LC alloys under different preparation methods

首先，增材制造鎳基高溫合金的拉伸性能與鎳基高溫合金種類密切相關。表3~表6 的室溫拉伸性能結(jié)果表明，固溶強化的Hastelloy X 合金的室溫拉伸性能整體較低，塑性處于中等水平；同為固溶強化合金的IN625 合金的強度相對Hastelloy X 合金較高，但整體強度仍處于較低水平，而合金的塑性較好；IN718 合金的塑性不如IN625 合金，但其強度經(jīng)過適合的增材制造和后處理可以達到一些高鋁鈦鎳基高溫合金的水平；難焊高溫合金CM247LC 和IN738LC 由于含有大量的γ′強化相，其強度普遍較高，但在打印過程中容易出現(xiàn)裂紋問題，塑性較差。

其次，高溫合金的室溫拉伸性能受到加工方法的影響。一般來說，增材制造合金的室溫拉伸性能高于傳統(tǒng)鑄造制備的零件。這可能是由于增材制造導致的細小晶粒和高密度位錯引起的。然而，由于增材制造的成型特點，零件內(nèi)部存在較大的殘余應力。未經(jīng)任何后續(xù)處理的增材制造零件的塑性指數(shù)通常難以達到常用的鑄造和鍛造標準。不同的增材制造方法對合金的室溫拉伸性能也有一定影響。例如，對比表3 中不同方法制備的IN625 合金，增材制造得到的IN625 合金室溫拉伸性能普遍較好，其強度一般高于通過鑄造制備的IN625 合金，在某些適當?shù)脑霾闹圃靺?shù)和熱處理后，IN625 合金的強度甚至高于鍛造的性能，這是由于增材制造制備合金時合金的晶粒尺寸較為細小以及合金中較高的位錯密度導致的。在不同增材制造方法中，WAAM 制備得到的合金強度較低，有時甚至低于鑄造的水平，這是由于WAAM 過程冷卻速率較慢，制備的合金晶粒尺寸較大；PBF 方法制備的IN625 合金的室溫拉伸性能的分散性較大，其性能極不穩(wěn)定，這與制備過程的參數(shù)有關，不同的PBF 工藝參數(shù)會產(chǎn)生不同的晶粒組織、亞結(jié)構(gòu)、碳化物及缺陷，從而影響合金的室溫拉伸性能。而DED 制備的合金的室溫拉伸性能高于WAAM，相比PBF，其室溫拉伸性能的分散性較低。

再者，增材制造高溫合金的拉伸性能會受到熱處理的影響，不同類型的高溫合金在熱處理后其拉伸性能變化略有不同。對于固溶強化型鎳基高溫合金，如IN625，Hastelly X，在熱處理后，合金的強度下降，而塑性提高，這可能是由于熱處理過程中一些有害相被溶解、晶粒尺寸增大及密度位錯減少共同導致的。Wong 等［88］研究了通過LPBF 制備的IN625 合金，結(jié)果表明，熱處理后，IN625 合金的強度下降而塑性提高。對于沉淀強化型高溫合金，在熱處理后，強化相析出，盡管晶粒粗化和位錯密度降低，但大量γ′強化相的析出抵消了這部分強度損失，整體強度上升。Wang等［108］研究了激光粉末床熔化制備的IN738LC 高溫合金的性能，結(jié)果表明，在HIP 處理后，IN738LC 合金在室溫拉伸強度和伸長率方面都有所提高，其原因在于消除了孔隙和微裂紋等內(nèi)部缺陷。Atabay 等［110］研究了激光粉末床熔化制備Rene 41 合金的組織和拉伸性能，結(jié)果表明，熱處理后的硬度值顯著高于打印態(tài)。但也存在例外，熱處理后的屈服強度變化可能不大，由γ′強化相析出導致的強度提高與熱處理后晶粒粗化、位錯密度降低導致強度的下降相差不大。Wang 等［111］研究了LPBF 制造的CM247LC 鎳高溫合金的組織和屈服強度，結(jié)果表明打印態(tài)的 CM247LC在標準熱處理后具有與打印態(tài)CM247LC 的屈服強度相差不大，經(jīng)過HIP 處理后，強度變化不大，但延展性有所提高。整體而言，通過合適的熱處理，增材制造的高溫合金可以獲得優(yōu)越的力學性能。

3 存在的問題

盡管增材制造已被廣泛應用于鎳基高溫合金的制備中，但仍存在大量待解決的問題。

首先，增材制造合金的微觀組織和力學性能存在明顯的各向異性。在增材制造這一獨特的成型過程中，試樣內(nèi)部形成了沿構(gòu)建方向的柱狀晶組織，具有沿〈001〉方向的明顯織構(gòu)。然而，這種獨特的微觀組織導致了在力學性能上的各向異性。為了解決這一問題，需要進一步研究和優(yōu)化增材制造過程并對增材制造零件進行后處理，以調(diào)控晶粒的排列方式，減輕各向異性的影響。這可能涉及工藝參數(shù)的調(diào)整、優(yōu)化材料選擇，以及采用先進的制造技術，以改善零件的整體性能表現(xiàn)。

其次，高性能鎳基高溫合金打印性能差，開裂敏感性高。在不斷追求更高功率和效率的航空發(fā)動機的背景下，對具備更高溫度和更惡劣使用條件的增材制造鎳基合金的需求也日益迫切。隨著鎳基高溫合金在增材制造領域的廣泛應用，合金體系從固溶強化合金轉(zhuǎn)變成沉淀強化合金，推動了航空航天增材制造領域的快速發(fā)展。然而，高鋁鈦的鎳基高溫合金焊接性能差，裂紋敏感性問題依然是當前增材制造中面臨的一項重要技術挑戰(zhàn)。因此，在高性能鎳基高溫合金成功應用于增材制造工藝領域之前，裂紋敏感性問題必須得到解決。這涉及對制備過程中各種因素的深入理解，以采取有效的措施減緩或避免裂紋的產(chǎn)生，從而制備出高質(zhì)量、高性能的鎳基高溫合金。

最后，缺乏鎳基高溫合金增材制造的規(guī)范和標準。行業(yè)標準對于制造商和最終產(chǎn)品的質(zhì)量至關重要，但在增材制造領域，缺乏全面的、統(tǒng)一的標準仍是一個突出的問題。一些組織如ASTM 和ISO 已發(fā)布了一些特定于增材制造工藝和熱處理的標準，以確保高溫合金的可靠性、穩(wěn)定性和質(zhì)量。然而，由于增材制造技術的迅猛發(fā)展，目前涵蓋整個增材制造過程的系統(tǒng)標準相對龐大且復雜。為了引導增材制造鎳基高溫合金的一致發(fā)展，建立一套完善的技術標準和規(guī)范變得至關重要。ASTM F42 委員會等團體在標準化描述符和分類學方面做出了顯著貢獻，但要實現(xiàn)機器技術和最終產(chǎn)品之間的直接比較，仍需進一步努力?？傮w而言，標準化對于推動增材制造的大規(guī)模生產(chǎn)和工業(yè)應用是至關重要的，同時，這些標準和規(guī)范需要不斷更新和完善，以適應增材制造技術的快速演變，并為下一代鎳基高溫合金的發(fā)展奠定基礎。

4 結(jié)束語

本文對增材制造技術在鎳基高溫合金零部件制備中的應用和增材制造用鎳基高溫合金材料研究進展進行介紹，表明增材制造技術在制備高溫合金零部件方面具有巨大的潛力和優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括可實現(xiàn)復雜構(gòu)件成形、高效率和高精度等。此外，采用不同制造技術制備的鎳基高溫合金的微觀組織和力學性能也得到了深入研究。隨著增材制造技術的發(fā)展和完善，鎳基高溫合金增材制造技術的應用將更加廣泛。

增材制造鎳基高溫合金領域充滿大量機遇，基于本綜述，作者提出了一些值得探索的領域。增材制造鎳基高溫合金未來的研究領域包含以下4 方面。

（1）增材制造鎳基高溫合金熱處理

在增材制造中，熱處理是優(yōu)化鎳基合金性能的關鍵步驟之一，熱處理能夠提升材料的完整性和微觀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)性能的優(yōu)化。通過對增材制造的鎳基合金進行熱處理，可促進從打印態(tài)的柱狀晶組織向再結(jié)晶組織的轉(zhuǎn)變，減弱晶粒組織上的各向異性，從而降低力學性能的各向異性。適當?shù)臒崽幚聿粌H可以實現(xiàn)更均勻的微觀結(jié)構(gòu)，改善各向異性性能，還能提高增材制造鎳基高溫合金的性能。因此，熱處理設計對于增材制造鎳基高溫合金至關重要，需要為這些合金定制合適熱處理制度，以獲得理想的微觀組織和力學性能。然而，目前的大多數(shù)熱處理方法是基于傳統(tǒng)經(jīng)驗，而這些經(jīng)驗并不完全適用于增材制造過程中的零件。因此，亟需尋找適用于增材制造的鎳基高溫合金的熱處理方法。盡管鑄造、鍛造合金的熱處理可以提供一些指導，但仍需要對增材制造鎳基高溫合金熱處理進行精心設計，以適應其獨特的微觀結(jié)構(gòu)和工藝引起的缺陷。在此背景下，研究人員應致力于開發(fā)定制的、適用于增材制造的熱處理策略，以進一步推動該領域的發(fā)展。

（2）增材制造新型無裂紋鎳基高溫合金的定制和開發(fā)

增材制造領域面臨的機遇之一是新合金的開發(fā)。目前應用于增材制造的鎳基高溫合金主要是為傳統(tǒng)制造方法設計和優(yōu)化的，導致一些高性能高溫合金無法適用于增材制造。現(xiàn)有商業(yè)化鎳基高溫合金因裂紋敏感性而限制了在增材制造工藝中的應用。因此，專門用于增材制造的新型抗缺陷高溫合金的設計和開發(fā)是一項重要任務。由于高溫合金中多種元素之間存在強相互作用，傳統(tǒng)試錯方法需要長周期的開發(fā)和檢驗大量樣品，不適合開發(fā)新的高溫合金。機器學習、計算材料科學、材料設計軟件和高通量方法的綜合應用可以加速對候選高溫合金的驗證，為合金設計和優(yōu)化提供快速、廉價和可靠的途徑。通過建立高溫合金成分、工藝、微觀組織和性能之間的關系，可以實現(xiàn)對高溫合金設計和優(yōu)化的加速。盡管增材制造鎳基高溫合金的合金設計研究有限，但通過現(xiàn)代研究工具的綜合應用，可以開發(fā)出適用于增材制造并具有優(yōu)異機械和環(huán)境性能的合金成分。

（3）探索具有不同復雜結(jié)構(gòu)的鎳基組分的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關系

在關于鎳基高溫合金增材制造的研究中，目前主要集中于形成尺寸較小的簡單形狀，如5~10 mm 的立方體。盡管我們已經(jīng)理解了增材制造工藝、材料開裂行為和力學性能之間的關系，但直接將這些關系應用于更大或更小、具有復雜結(jié)構(gòu)的實際工程部件仍然面臨挑戰(zhàn)。因此，深入了解增材制造鎳基高溫合金部件中樣品尺寸與各種結(jié)構(gòu)復雜性之間的關系至關重要。這對于具有精細特征和大尺寸晶格結(jié)構(gòu)，或幾何復雜的航空部件等工程部件的殘余應力、開裂行為和性能具有重大影響。當前關于無裂紋鎳基高溫合金性能的研究主要集中在不同溫度下的硬度和拉伸行為上，而其他關鍵性能類型，如抗蠕變性、疲勞行為和耐腐蝕性，還沒有得到充分研究。這些方面的深入研究對于指導增材制造鎳基高溫合金在工業(yè)中更廣泛的應用至關重要。因此，全面了解這些關鍵性能將為增材制造技術在不同領域的實際應用提供基礎和指導。

（4）計算和建模用于解決增材制造過程中的各種問題

通過整合計算與建模、人工智能技術至增材制造的各個階段，可實現(xiàn)更高效、精確和可持續(xù)的生產(chǎn)過程，同時推動了鎳基合金性能和應用領域的進步。基于人工智能的在線監(jiān)測系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)在實現(xiàn)工藝的實時控制和優(yōu)化方面起到關鍵作用。在線監(jiān)測系統(tǒng)為工藝優(yōu)化提供記錄過程和輔助手段，同時為裂紋等缺陷的在線診斷和實時修復奠定基礎。人工智能在增材制造的材料和工藝設計中扮演關鍵角色。通過從次優(yōu)數(shù)據(jù)集中做出復雜決策，人工智能能夠迅速推進工藝和材料開發(fā)。隨著實驗空間的擴大，人工智能在增材制造中的應用將更加普遍，尤其是在自動化和實驗與建模相結(jié)合的情況下。模擬的結(jié)果有助于加深對增材制造過程的理解、工藝優(yōu)化、減少缺陷，并彌合產(chǎn)品設計和認證之間的差距。這些模擬結(jié)果對于闡明對流程的理解和優(yōu)化、減少缺陷以及預測微觀結(jié)構(gòu)和殘余應力具有重要意義。因此，增材制造的計算與建模領域?qū)⒁蕾囉谌斯ぶ悄?、在線監(jiān)測系統(tǒng)、高溫預熱技術以及模擬與建模的融合，為推動該領域的發(fā)展和應用提供了堅實的基礎。